自行車的物理
自行車是日常生活中便利又環保的交通工具，不到十歲的小孩就騎著滿街跑，但其中所運用到的物理知識卻十分豐富，很適合拿來作為教材，本文就其原理加以整理討論。
一. 車體設計原理：
圖甲
圖甲中自行車體運用的物理原理簡述如下：
Ａ：手把連接前輪的轉向機制是輪軸的運用，一般淑女車手把大多比較寬，就是因為把“輪”的半徑加大，可以更省力，騎起來很優雅，有淑女的氣質。
Ｂ：剎車把手是一個簡單的槓桿，使用者用很小的力就可施予剎車片很大的壓力。
Ｃ：前剎片是利用摩擦力使車輪減速，同時在接地點產生向後的摩擦力來使車體減速。以前輪夾式剎車和傳統後輪軸心的盤式剎車來比較，對同樣大小的剎車壓力而言，前者因力臂較長，會比後者有較大的力 矩，效果較佳。
Ｄ：接地的輪胎也是靠摩擦力使車子前進，剎車亦然(後文會加以討論)。
Ｅ：輪軸中央用滾珠軸承加黃油來減少摩擦，提高傳動效率。
Ｆ：踏板是輪軸的運用。
Ｇ：前後齒輪是利用鏈條傳動的齒輪系統，因為前大後小，所以費力而省時，可以把車子加速到很快Ｈ：後齒輪傳動給後輪是一種作用力施在軸上的輪軸系統。
Ｉ：有些座墊下方是以彈簧為避震器，是彈簧在日常生活中除了做為彈簧秤外，另一大用途。
Ｊ：新型自行車有些裝上油壓避震器，是帕司卡原理的運用。
二.為何自行車剛騎動時手把會不自覺轉動？
自行車基本上是兩點著地，騎動時可以不倒下是因為兩輪滾動時產生水平方向的角動量；當車子幾乎靜止時角動量消失了，質心要通過底座(人和車體在地面的投影)的機會非常少，不可避免就要倒下，此時若轉動手把就會產生垂直方向的角動量，使車子保持平衡，這點和飛盤轉動時可以保持平穩飛行有異曲同工之妙，但因為轉動不是很完整，方向又一再改變，所以一般不能撐很久。
三、變速原理為何？
設前齒輪半徑a、後齒輪半徑b，a/b的比值愈大，可以愈省力，但省力一定較費時，所以車騎不快，一般在起動時會把a/b調小一點，比較容易克服最大靜摩擦力，之後再把比值變大。一輛十段變速的自行車有兩個不同半徑的前輪，後面有五個，以共有十種組合。
四、剎車原理：
以運動學的觀念而言，急剎車車子可能向前翻倒。先考慮前輪剎死的情形：此時以前輪著地點為支點，因車子有向前的慣性(人車的質心明顯在支點右上方)，很容易有向前翻的情形發生；那後輪剎車的情形又如何呢?如果後輪剎死了車子的慣性一樣向前，但此時前輪對地面的壓力會增大，相對減少後輪的下壓力，是以翻車的機會較少，當然若是向前的慣性實在太大，車子一樣會以前輪為支點旋轉而使後輪會上蹺。綜合以上可知：
自行車最好不要單獨剎前輪，若只有一個剎車系統應裝在後輪，當然兩輪一起剎車最理想。
不論用那一輪剎車，前輪的下壓力一定會增大，後輪的一定減少，純就可產生的剎車摩擦力來看，前輪較大，所以在機車或汽車上，效果較佳(當然也較貴)的碟式剎車裝在前輪，後輪再裝鼓式剎車，此即常在汽車廣告中聽到的”前碟後鼓”，但注意使用的前題是前後剎車一定同時作用，以免翻車。
五.胎壓的影響：
輪胎若胎壓不夠，騎起來將非常吃力，這是因為摩擦力減少的原因，當胎壓不足時，我們施的力量會有一部份用於使輪胎拉扯形變，所以感到費力許多，這種情形若是曾騎過沒有胎壓的單車，都會印象深刻。
自行車原理作為中學物理補充教材有極大的空間，學生人人都可參與且參考資料頗多，蕃藷藤網站上以“自行車”為查詢字詞可得105個網址，台灣師大黃坤福教授在物理系的網站(http://www.phy.ntnu.edu.tw/class/demolab/)也有相關的討論。
筆者曾請一班國三學生，就“騎單車為什麼會.......”及“單車為什麼不.....”兩個方向各提出一個問題，結果出現“為何剎車時車尾會蹺高“、”為何單車不做方向盤呢?“等有意思的問題，同時在班上也引發熱烈的討論，可見其吸引力，筆者希望以此報告為起點，發展出一套教案，讓學生從極為熟悉的事物中學習科學。
本文圖片感謝師大黃福坤教授應允使用。
自行車是日常生活中便利又環保的交通工具，不到十歲的小孩就騎著滿街跑，但其中所運用到的物理知識卻十分豐富，很適合拿來作為教材，本文就其原理加以整理討論。
一. 車體設計原理：
圖甲
圖甲中自行車體運用的物理原理簡述如下：
Ａ：手把連接前輪的轉向機制是輪軸的運用，一般淑女車手把大多比較寬，就是因為把“輪”的半徑加大，可以更省力，騎起來很優雅，有淑女的氣質。
Ｂ：剎車把手是一個簡單的槓桿，使用者用很小的力就可施予剎車片很大的壓力。
Ｃ：前剎片是利用摩擦力使車輪減速，同時在接地點產生向後的摩擦力來使車體減速。以前輪夾式剎車和傳統後輪軸心的盤式剎車來比較，對同樣大小的剎車壓力而言，前者因力臂較長，會比後者有較大的力 矩，效果較佳。
Ｄ：接地的輪胎也是靠摩擦力使車子前進，剎車亦然(後文會加以討論)。
Ｅ：輪軸中央用滾珠軸承加黃油來減少摩擦，提高傳動效率。
Ｆ：踏板是輪軸的運用。
Ｇ：前後齒輪是利用鏈條傳動的齒輪系統，因為前大後小，所以費力而省時，可以把車子加速到很快Ｈ：後齒輪傳動給後輪是一種作用力施在軸上的輪軸系統。
Ｉ：有些座墊下方是以彈簧為避震器，是彈簧在日常生活中除了做為彈簧秤外，另一大用途。
Ｊ：新型自行車有些裝上油壓避震器，是帕司卡原理的運用。
二.為何自行車剛騎動時手把會不自覺轉動？
自行車基本上是兩點著地，騎動時可以不倒下是因為兩輪滾動時產生水平方向的角動量；當車子幾乎靜止時角動量消失了，質心要通過底座(人和車體在地面的投影)的機會非常少，不可避免就要倒下，此時若轉動手把就會產生垂直方向的角動量，使車子保持平衡，這點和飛盤轉動時可以保持平穩飛行有異曲同工之妙，但因為轉動不是很完整，方向又一再改變，所以一般不能撐很久。
三、變速原理為何？
設前齒輪半徑a、後齒輪半徑b，a/b的比值愈大，可以愈省力，但省力一定較費時，所以車騎不快，一般在起動時會把a/b調小一點，比較容易克服最大靜摩擦力，之後再把比值變大。一輛十段變速的自行車有兩個不同半徑的前輪，後面有五個，以共有十種組合。
四、剎車原理：
以運動學的觀念而言，急剎車車子可能向前翻倒。先考慮前輪剎死的情形：此時以前輪著地點為支點，因車子有向前的慣性(人車的質心明顯在支點右上方)，很容易有向前翻的情形發生；那後輪剎車的情形又如何呢?如果後輪剎死了車子的慣性一樣向前，但此時前輪對地面的壓力會增大，相對減少後輪的下壓力，是以翻車的機會較少，當然若是向前的慣性實在太大，車子一樣會以前輪為支點旋轉而使後輪會上蹺。綜合以上可知：
自行車最好不要單獨剎前輪，若只有一個剎車系統應裝在後輪，當然兩輪一起剎車最理想。
不論用那一輪剎車，前輪的下壓力一定會增大，後輪的一定減少，純就可產生的剎車摩擦力來看，前輪較大，所以在機車或汽車上，效果較佳(當然也較貴)的碟式剎車裝在前輪，後輪再裝鼓式剎車，此即常在汽車廣告中聽到的”前碟後鼓”，但注意使用的前題是前後剎車一定同時作用，以免翻車。
五.胎壓的影響：
輪胎若胎壓不夠，騎起來將非常吃力，這是因為摩擦力減少的原因，當胎壓不足時，我們施的力量會有一部份用於使輪胎拉扯形變，所以感到費力許多，這種情形若是曾騎過沒有胎壓的單車，都會印象深刻。
自行車原理作為中學物理補充教材有極大的空間，學生人人都可參與且參考資料頗多，蕃藷藤網站上以“自行車”為查詢字詞可得105個網址，台灣師大黃坤福教授在物理系的網站(http://www.phy.ntnu.edu.tw/class/demolab/)也有相關的討論。
筆者曾請一班國三學生，就“騎單車為什麼會.......”及“單車為什麼不.....”兩個方向各提出一個問題，結果出現“為何剎車時車尾會蹺高“、”為何單車不做方向盤呢?“等有意思的問題，同時在班上也引發熱烈的討論，可見其吸引力，筆者希望以此報告為起點，發展出一套教案，讓學生從極為熟悉的事物中學習科學。
本文圖片感謝師大黃福坤教授應允使用。
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